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2017年度中国科学十大进展

2017年度中国光学十大进展(应用研究类)

FIRM-TPM在神经科学领域的应用

发布时间: 2021-05-06 22:07 来源:超维景生物科技有限公司

大脑是生物体最复杂的器官,他的结构和功能一直都是神经科学研究的热点。神经细胞是神经系统的基本结构和功能单位之一,具有感受刺激和传导兴奋的功能,每个神经细胞通过突触连接,进行信息的传递和加工,大脑内不同性质和功能的神经元通过各种形式的复杂连接形成神经环路,不同的脑区掌管着不同的功能。控制机体活动是大脑最重要的功能之一,这就需要模式动物能够在自由行为条件下进行成像。

 

基于双光子显微镜长波长激发,更深的穿透能力,光毒性和光漂白性低,长时程成像等优点,在神经元成像,树突棘成像,神经网络结构成像,Ca2+成像中已被广泛应用,FIRM-TPM成像质量可与大型台式双光子显微镜相媲美。

 

这款佩戴式的双光子显微镜探索大脑奥秘、研究神经系统疾病机制的重要工具,为自由活动动物的深部脑区单神经元成像和神经网络解析提供了理想的工具,在神经科学实验中表现出了卓越的性能。诺贝尔生物学或医学奖获得者爱德华·莫索尔 (Edvard.I. Moser)博士称这款显微镜是神经科学研究领域中的一个“革命性”新工具,尤其是对他所研究的大脑空间定位神经系统, 并认为“几年 此新技术将在活体动物神经成像中占主导地位,工作对科学界极其重要”。美国著名神经科学家 加州大学洛杉矶分校的 Alcino J Silva 教授在评述中写道,“从任何一个标准来看, 这款显微镜都代表了一项重大技术发明,必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。


成像示例


  • 观察自由运动小鼠大脑皮层表达GFP的神经元

小鼠大脑皮层的神经元表达Thy1-GFP,用微型化双光子显微系统和台式双光子显微镜进行观察, 显示出几乎相同的对比度和分辨率,都可以清楚地观察到神经元的树突和树突棘。 

fig 2.png


  • 行为学实验下的小鼠大脑皮层的神经元钙活动


微型化双光子显微成像系统可以对自由行为动物进行稳定高分辨成像。当小鼠在进行多种行为学实验时,比如悬尾实验、跳台实验和社交行为,可实时监测小鼠大脑皮层的神经元活动。

figure 2.png

 

  • 不同平面胞体和树突的钙活动的观察


解码神经网络整合需要同时检测树突的输入和胞体的输出。微型化双光子显微成像系统可在不 同平面间快速切换,从而观察主要位于软脑膜下方80μm的树突和软脑膜下方160μm的胞体。经过Pearson相关分析和网络分析,将树突和胞体分为6个群,发现不同群的树突和胞体在同一平面内部和不同平面之间相互交叉,并且每个群显示出平面特异的不同的空间分布模式。

figure 3.png

 

  • 不同平面神经元活动观察


在小鼠行为学实验中,连续5天,观察mPFC中深度为150μm和250μm的神经元,同时辅以行为 学成像,发现了受社会行为调控的ON和OFF神经元,并发现社会行为相关神经元的分群呈现高度动态变化。

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